2012年Te Maari火山碎屑崩塌模拟：揭示热液系统在失稳机制中的关键作用

本研究通过有限元边坡稳定性模拟，探究新西兰Tongariro火山2012年Te Maari碎屑崩塌事件的触发机制。研究发现浅层孔隙压力增加约250 kPa可复现观测到的失稳现象，揭示热液蚀变岩石强度降低与多阶段渐进式滑动是导致崩塌的核心因素，为火山灾害评估提供了新见解。

　　

火山边坡失稳是威胁人类安全的重大地质灾害，而热液系统在其中扮演的角色长期存在认知空白。2012年8月6日，新西兰Tongariro火山Upper Te Maari火山口发生体积达7×10⁵
m³
的碎屑崩塌，伴随小规模地震和后续的蒸汽喷发，成为研究热液系统与边坡失稳耦合机制的典型案例。该事件暴露出当前对火山热液区失稳机理的认识不足，特别是孔隙压力变化与岩体强度退化的定量关系尚不明确。

为破解这一科学难题，研究人员采用有限元方法(RS2软件)构建边坡稳定性模型，结合地质强度指标(GSI)和广义Hoek-Brown(GHB)强度准则，系统分析了地下水条件、地震载荷和材料特性对Te Maari边坡稳定性的影响。研究创新性地整合了高光谱遥感数据、重力异常测量和现场岩体力学测试结果，建立了包含蚀变/未蚀变双岩性单元的二维剖面模型。通过剪切强度折减(SSR)法计算临界稳定系数(SRF)，并对比实测崩塌形态验证模型可靠性。

3.1 模型几何构建
基于10米分辨率DEM和低密度异常数据，研究团队首次将Kereszturi等(2018)的高光谱蚀变识别结果与Miller和Williams-Jones(2016)的重力模型融合，构建了包含局部蚀变体的三维凸包体积。从该模型中提取的aa'剖面显示，蚀变单元主要分布在边坡中上部，其UCS(无侧限抗压强度)仅为未蚀变单元的1/6(25 MPa vs 160 MPa)。

3.2 材料力学响应
采用GHB准则量化岩体强度，蚀变单元GSI值设定为25(对应mb=1.15)，显著低于未蚀变单元的60(mb=6.66)。参数敏感性分析揭示：当蚀变单元UCS降至5 MPa(弱化配置W)时，边坡稳定性骤降40%，证实蚀变程度是控制失稳的首要因素。

4.2 水力特性影响
渗流模型显示，当底部入渗速率超过1.5×10^-6
m/s时，30米深度孔隙压力可达260 kPa，引发浅层破坏(SRF≤1)。这一结果与观测的55米崩塌深度高度吻合，说明热液流体上涌导致的孔隙压力激增是直接诱因。相比之下，仅考虑静态水压力(配置M4)会高估破坏深度达110米。

4.3 地震加速度效应
伪静态分析表明，基于TON2台站记录的0.02g水平地震系数仅使SRF降低6-9%，说明地震更可能是崩塌结果而非原因。这一发现修正了Jolly等(2014)关于地震触发作用的假设。

5.2 渐进破坏机制
通过对比LiDAR揭示的崩塌地形，研究发现滑移面存在20°-23°的角度间断，对应两个椭圆状滑体(SB1和SB2)。后续模拟证实SB1失稳后，其卸载作用会导致SB2发生连锁破坏，这种多阶段破坏机制可解释崩塌体的阶梯状沉积特征。

该研究首次定量揭示了热液系统在火山碎屑崩塌中的双重作用：长期蚀变导致岩体强度退化，而瞬态孔隙压力变化则直接触发失稳。提出的"浅层孔隙压力阈值"(≈250 kPa)为火山灾害预警提供了量化指标，其建立的GHB-FEM耦合方法可推广至全球其他热液活跃火山。研究结果发表于《Journal of Volcanology and Geothermal Research》，对理解新西兰Ruapehu等火山的潜在风险具有重要指导价值。未来需结合电磁勘探进一步厘清热液系统三维结构，以提升灾害预测精度。